溢洪洞出口挑流鼻坎優(yōu)化試驗研究

陳小威，張宗孝，劉沖，杜麥

（西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安　710048）

溢洪洞出口挑流鼻坎優(yōu)化試驗研究

陳小威，張宗孝，劉沖，杜麥

（西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安710048）

針對長益廟水庫泄洪時下游岸坡淘刷嚴重這一問題，在挑坎前段溢洪洞YD+152.076-YD+168.875斷面加了一對同心圓彎道的基礎(chǔ)上，對原方案挑流鼻坎形式做了4種舌形挑流鼻坎修改方案。通過分析比較其挑距、擴散、沖刷等水力特性，最終認為修改方案三各水力參數(shù)較優(yōu)，滿足下游消能防沖要求，且施工難度不大，將之定為最終的挑流鼻坎推薦方案。另外，通過各舌形挑坎和原方案挑坎的對比分析，進一步明確了舌形挑坎在增強水流橫向擴散方面的優(yōu)越性。

模型試驗；舌形挑坎；優(yōu)化；水力特性；沖刷

溢洪洞發(fā)揮著向下游宣泄洪水、保證大壩安全的重要作用。其本身的布置和體型尺寸在實際工程中的安全性與合理性關(guān)乎整個水利工程的安全與經(jīng)濟，因此有必要對其作模型試驗以進行驗證。長益廟水庫泄洪建筑物為一側(cè)槽溢洪洞，其平面布置見圖1，在挑流鼻坎下游約30 m處有一山包，原設(shè)計方案中，在設(shè)計洪水位和校核洪水位時，挑流水舌對山包根部沖刷較為嚴重，威脅岸坡穩(wěn)定，因此必須優(yōu)化挑流鼻坎體型以改善這一不利現(xiàn)象。溢洪洞的優(yōu)化思路一般為以恒定流為依據(jù)，分析其水力學(xué)參數(shù)，驗證其布置和尺寸的合理性與安全性，在此基礎(chǔ)上考慮其經(jīng)濟性。長益廟水庫側(cè)槽溢洪洞模型試驗以此為主線，以水流流態(tài)、水舌挑距、水舌擴散、下游沖刷為參數(shù)對其進行優(yōu)化，從而對比分析得出優(yōu)化方案。

本工程中采用舌形挑流鼻坎的優(yōu)化方案。關(guān)于舌形挑坎，前人在小灣、二灘水利工程中有過試驗研究［1］，謝波［2］，王均星［3］在龍開口水電站的挑流鼻坎優(yōu)化中，分別對窄縫-舌形挑坎和大差動-舌形挑坎進行有關(guān)實驗研究，結(jié)果表明，這2種方案消能防沖效果更佳。王瑞等［4］將曲面貼角窄縫挑坎與舌形挑坎進行過對比分析研究，張東明［5］對舌形挑坎的水舌流態(tài)進行建模計算，提出了不同坎形條件下?lián)綒馑嗫罩袡M向擴散規(guī)律。舌形挑坎是由傳統(tǒng)的連續(xù)型挑坎發(fā)展而成，與傳統(tǒng)的連續(xù)型挑坎相比，舌形挑坎水流橫向擴散更充分，單寬流量更小，于下游消能防沖更為有利，具有很好的應(yīng)用前景。

1　工程概況和模型設(shè)計

長益廟水庫處于陜西省寶雞市麟游縣境內(nèi)，壩址位于崖窯村長益廟林場內(nèi)楊家河上。水庫樞紐由大壩、溢洪洞見圖1、放水洞、輸水洞等主要建筑物組成。壩頂高程1 221.00 m，水庫正常蓄水位1 216.00 m，總庫容331萬m3，灌溉面積146.6 hm2，設(shè)計引水流量為0.15 m3/s，最大壩高25.30 m，樞紐工程等別為Ⅳ等、工程規(guī)模為小（1）型。大壩、溢洪洞及放水洞等主要建筑物為4級，相應(yīng)防洪標準按30年一遇洪水標準設(shè)計，300年一遇洪水校核；溢洪洞消能防沖標準為20年一遇洪水；施工導(dǎo)流為5年一遇洪水標準。溢洪洞布置在右岸壩端，主要任務(wù)是泄洪。采用側(cè)堰溢洪洞，軸線為直線。溢洪洞由側(cè)堰段、調(diào)整段、洞身段、明渠段和出口消能段等部分組成，全長198 m，最大下泄流量125.0 m3/s。

模型按重力相似準則設(shè)計，選用幾何比尺為1∶30，為正態(tài)定床模型，下游水舌落點附近做成局部動床，相應(yīng)的其他物理量比尺見表1。

表1　模型主要比尺關(guān)系Tab.1　Main scales of the model

圖1　溢洪洞布置Fig.1　Layout of the discharge tunnel

2　原方案試驗成果

原方案中挑流鼻坎體型尺寸見圖2（a）、圖2（b），挑流鼻坎長16.86 m，反弧半徑R=45 m，鼻坎挑射角θ=15.57°。

2.1水舌挑距與擴散

由于挑坎段平面上的轉(zhuǎn)彎，挑坎段水流液面左低右高，主流集中在右側(cè)；上下游水位落差不大，設(shè)計洪水位時的出口流速為11.29 m/s，校核洪水位時挑坎出口流速為13.21 m/s；水舌挑距不大，設(shè)計洪水位時最大挑距為13.5 m，校核洪水位時最大挑距為19.8 m；設(shè)計洪水位時水舌擴散寬度為6.6 m，校核洪水位時擴散寬度為8.9 m。

圖2　挑流鼻坎體型Fig.2　Scheme of the jet bucket

2.2下游沖刷

試驗中觀察到設(shè)計流量和校核流量時挑流鼻坎對面右側(cè)山包根部水流紊亂，有回旋流，水流淘刷山包根部嚴重。20年一遇洪水流量時右岸最深淘刷高程約為1 192.58 m；設(shè)計洪水流量時右岸最深淘刷高程約為1 190.57 m；校核洪水流量時右岸最深淘刷高程約為1 183.49 m。20年一遇洪水流量和30年一遇設(shè)計洪水流量時，挑坎護坦末端底部齒墻埋深1.97 m和1.79 m，沖刷坑上游坡比緩于1/2.5，滿足消能要求，然而300年一遇校核洪水流量時，挑坎護坦末端底部齒墻埋深0.32 m，沖刷坑上游坡比陡于1/2.5，不滿足消能要求，校核流量時沖刷坑形態(tài)見圖3。

圖3　校核流量時下游沖刷坑形態(tài)Fig.3　Form of the lower reach scour hole in checking the flood discharge

3　修改方案試驗成果

基于原方案存在的問題，考慮到本工程挑坎末端流速不大，在挑坎前段自YD0+152.076斷面至YD0+168.875斷面加一個外半徑40.0 m，內(nèi)半徑37.0 m的同心圓彎道，平面轉(zhuǎn)角采用25°，底坡采用1/100。彎道后接挑流鼻坎，挑流鼻坎縱剖面反弧半徑采用45.0 m，挑角采用11.89°～14.10°，平面仍采用外半徑40.0 m，內(nèi)半徑25.0 m，外邊墻平面轉(zhuǎn)角采用15°，內(nèi)邊墻平面轉(zhuǎn)角采用21.24°。修改方案1挑坎形式為沿兩邊墻末端直線連接；修改方案2形式為兩邊墻末端的距離3.578 m作為弦長，半徑采用2.0 m，中心角為126.89°的舌型挑坎；修改方案3形式為兩邊墻末端的距離3.578 m作為直徑，半徑采用1.789 m，中心角為180°的舌型挑坎；修改方案4形式為半個橢圓舌型挑坎，即橢圓舌型挑坎為兩邊墻末端的距離3.578 m作為橢圓的短軸，3.578 m×2作為橢圓的長軸，采用半個橢圓的舌型挑坎。挑坎修改方案體型尺寸見圖4（a）至圖4（e）。

3.1水舌擴散

挑流水舌擴散時，擴散寬度越大，單寬流量越小，水流在橫向方向能量越分散，對下游河床沖刷程度越輕。模型試驗實測得4個挑流鼻坎修改方案的水舌擴散寬度隨流量變化關(guān)系見圖5。由圖可知，在相同流量時，4個方案的水舌寬度均較原方案有不同程度的增大，其中方案四增幅最大，方案三次之，方案一最?。?-7］?？梢姡袅魉嗟臄U散寬度與挑流水舌出口邊界有關(guān)系。出口邊界越大水舌擴散效果越好。設(shè)計洪水位時，方案四中水舌擴散寬度是原方案水舌寬度的1.5倍，方案三為1.3倍；校核洪水位時，方案四中水舌擴散寬度是原方案水舌寬度的1.7倍，方案三為1.2倍，水舌擴散效果較好，且水流分布較原方案均勻。

3.2挑距

挑距越大，挑射水流在縱向方向能量越分散。模型試驗測得四個挑流鼻坎修改方案的水舌挑距隨流量變化關(guān)系見圖6。由圖可知，在相同流量時，除方案一外，其余3個方案的水舌挑距均較原方案有不同程度的增大，其中方案三增幅最大，方案二次之，方案四最小。設(shè)計洪水位時，方案三中水舌最大挑距為15.9 m，較原方案挑距增大18%；方案二為15.3 m，增大13%。；校核洪水位時，方案三中水舌最大挑距為24.0 m，較原方案挑距增大21%；方案二為21.6 m，增大9%。

3.3沖刷

在研究挑流鼻坎優(yōu)化時，下游河床的沖刷是所要考慮的一個關(guān)鍵因素。沖刷坑深度越淺，坡度越緩，越有利于下游建筑物和岸坡的穩(wěn)定與安全，也越有利于河道的暢通，下游水流也越穩(wěn)定。修改方案時，挑流水舌對下游河床沖刷程度均有所減輕，校核洪水時修改方案挑坎的沖坑形態(tài)見圖7（a）至圖7（d）。就沖坑最深點深度來判斷，方案四最好，方案三次之。設(shè)計洪水時方案四沖坑最深點深度相對于原方案減少2.07 m，方案三沖坑最深點深度相對于原方案減少1.41 m；校核洪水時方案四沖坑最深點深度相對于原方案減少7.26 m，方案三沖坑最深點深度相對于原方案減少5.64 m。3種工況的沖坑最低點高程值見表2。

3.4沖坑上游坡比

沖刷坑是否會危及建筑物的基礎(chǔ)，這與沖刷坑深度及河床基巖節(jié)理裂隙、層面發(fā)育情況有關(guān)，應(yīng)全面研究決定。一般認為，當(dāng)沖坑上游側(cè)與挑坎末端的距離大于2.5～5倍的沖坑深度時，將不影響建筑物的安全［6-7］。

定義上游坡比i=Δh/l，其中h為挑流鼻坎末端齒墻底部高程與沖坑最深點高程之差，l為沖坑最深點到護坦末端斷面水平距離，則當(dāng)i＜1/2.5時，可認為沖刷坑不會危及建筑物基礎(chǔ)。計算得4種修改方案的各工況上游坡比i如表3所示。由表中數(shù)據(jù)關(guān)系可知，4種修改方案的各工況的i值均小于1/2.5，滿足消能要求，且4種方案中，方案四上游坡度最緩，方案三次之。

圖4　修改方案挑流鼻坎體型Fig.4　Schemes of jet bucket of optimization designs

4　結(jié)語

挑流鼻坎修改方案一挑距、水舌擴散寬度相對都較??；挑流鼻坎修改方案二挑距、水舌擴散寬度都次之；挑流鼻坎修改方案三挑距、水舌擴散寬度相對都較大；挑流鼻坎修改方案四挑距、水舌擴散寬度相對都最大。

圖5　水舌擴散寬度與流量關(guān)系Fig.5　Relationships between the divergent width and discharge flow

圖6　水舌挑距與流量關(guān)系Fig.6　Relations between the jet trajectory distance and discharge flow

表2　沖刷坑最低點深度減少值Tab.2　Depth reduced of the lowest point in the scour hole

表3　沖刷坑上游坡比Tab.3　Upstream slope of the scour holes

挑流鼻坎4個修改方案，其中方案一水舌擴散最小，水流相對集中，最深沖坑相對較深；方案二水舌擴散次之，最深沖坑相對變淺；方案三水舌擴散較好，水流相對分散也較好，最深沖坑相對較淺；方案四水舌擴散相對最好，水流相對分散也最好，最深沖坑相對最淺。方案四雖消能參數(shù)較優(yōu)，但舌型挑坎較長，施工難度較大，再加之本工程消能問題不很嚴重，且方案三已然能夠滿足應(yīng)用要求，因此推薦方案三作為最終的設(shè)計方案。

圖7　校核洪水時修改方案沖刷坑形態(tài)Fig.7　Forms of the scour hole in the optimized scheme in checking the flood discharge

較之常規(guī)的連續(xù)型挑坎，本工程模型試驗優(yōu)化方案中所采用的舌形挑坎水流橫向擴散更充分，有利于解決下游的消能防沖問題，具有很好的應(yīng)用前景。文獻［8］曾對舌形挑坎的水力特性有過比較詳細的研究，但已投入實際應(yīng)用的工程實例尚較少，本工程的試驗結(jié)果可為同類工程的設(shè)計提供參考。

［1］朱雅琴，張法星，許唯臨.舌形挑流鼻坎水力特性研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2004，4（5）：397-402.ZHU Yaqin，ZHANG Faxing，XU Weilin.Research on hydraulic characteristics of flip bucket with tongue-type［J］.Science Technology and Engineering，2004，4（5）：397-402（in Chinese）.

［2］謝波，曲景學(xué)，胡靜，等．龍開口水電站挑坎體型優(yōu)化試驗研究［J］．吉林水利，2009（1）：1-3．XIE Bo，QU Jingxue，HU Jing，et al.The study for the flip bucket style optimization test in Longkaikou hydropower station［J］.Jilin Water Resources，2009（1）：1-3（in Chinese）.

［3］王均星，羅貝爾．龍開口水電站挑流消能方式［J］．武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2011，44（2）：166-169．WANG Junxing，LUO Beier.Discussion on energy dispassion scheme for deflecting flow of Longkaikou hydropower station［J］.Engineering Journal of Wuhan University，2011，44（2）：166-169（in Chinese）.

［4］王瑞，劉韓生，聶源宏，等．曲面貼角窄縫挑坎在瑪爾擋水電站中的應(yīng)用研究［J］．水力發(fā)電學(xué)報，2015，34（2）：85-90．WANG Rui，LIU Hansheng，NIE Yuanhong，et al.Application of curved slit-type flip bucket at Maerdang hydropower station［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2015，34（2）：85-90（in Chinese）.

［5］張東明，王媛．舌形坎與短邊墻坎泄流水舌空中擴散規(guī)律研究［J］．中國農(nóng)村水利水電，2007（3）：106-109．ZHANG Dongming，WANG Yuan.Diffusion regularity of water tongue discharging from tongue-sharped bucket and asymmetry bucket［J］.China Rural Water and Hydropower，2007（3）：106-109（in Chinese）.

［6］李建中.水力學(xué)［M］.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2002：230-231.

［7］林繼鏞.水工建筑物［M］.北京：中國水利水電出版社，2009：353-354.

［8］朱雅琴．舌形挑流鼻坎水力特性研究［D］．成都：四川大學(xué)，2004．

（編輯李沈）

Optimizing Experimental Study on Jet Bucket of Flood Discharge Tunnel Export

CHEN Xiaowei，ZHANG Zongxiao，LIU Chong，DU Mai
（School of Water Resources and Hydroelectric Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，Shaanxi，China）

In view of the serious flood scouring on the downstream bank when flood water is discharged from Changyimiao reservoir，in addition to adding a concentric circle bend to YD+152.076 to YD+168.875 section of the spillway tunnel，this paper presents 4 modificationfor the original jet bucket type.Through comparison and analysis of hydraulic characteristics such as trajectory distance，divergent width and degree of depth of the scour hole，it is finally concluded that No 3 modification scheme is of better hydraulic parameters and is able to satisfy the energy dissipation and erosion control of the downstream，and is easier to be built.Therefore，the scheme is recommended as the final jet bucket scheme.In addition，through comparisons of each tongue-type jet buckets with the original jet bucket，the advantages of the jet bucket with tongue-type on expanding the degree of nappe by lateral diffusion are further ascertained.

model experiment；jet bucket with tonguetype；optimization；hydraulic characteristic；scour

1674-3814（2016）07-0143-06

TV131

A

2015-12-15。

陳小威（1990—），男，在讀碩士，主要從事工程水力學(xué)研究。